基于專業課程教學的大學生創新訓練模式的探索與實踐

林高用 李勁風 劉會群 唐建國 張紅媛

[摘 要] 在創新驅動發展的戰略背景下，創新創業教育已成為高校人才培養的重要途徑。針對創新訓練項目實施過程中大學生參與度低、受益少等問題，從項目選題、項目實施等方面，提出并建立了一套基于專業課程教學的大學生創新訓練模式，將專業課程學習與創新實踐相結合，有效提升了大學生創新思維與實踐能力的培養質量，并促進了大學生對課程專業知識的深度理解。

[關鍵詞] 專業課程教學;創新訓練模式;材料科學與工程

現代大學肩負著人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新、國際交流合作五大職能，而創新創業教育是達成五大職能的重要融合點。近年來，在“大眾創業、萬眾創新”理念的推動下，創新創業訓練與實踐成為培養大學生綜合素質的重要環節，在國內各高校推廣實施，取得了顯著成效，為國家培養了大批創新型人才。然而，在深入分析大學生創新創業訓練項目實施過程時，我們不難發現其中也存在不少問題，如項目技術含量較低、與學科專業發展脫節、學生參與度低及質量不佳等[1-3]。為解決上述問題，國內許多高校對創新創業教育和實踐訓練模式開展了深刻反思，并結合學科與專業特色開展了多種創新創業實踐教育的大膽嘗試[4，5]。隨著科技的不斷進步與產業的迅速發展，社會和行業對大學生知識結構和創新創業能力的要求均在不斷提高，因此，大學生創新創業教育模式也必須與時俱進，更新觀念，持續深化改革，以適應新工科形勢的要求[6，7]。筆者結合多年的教學實踐，構建了一種基于專業課程教學的創新訓練模式，即從專業課程教學內容中設計創新訓練項目，然后指導大學生結合課程學習開展創新實驗和實踐訓練，在培養大學生的創新思維與實踐能力的同時，促進大學生對專業課程知識點的深度理解。

一、現行大學生創新訓練模式存在的問題

現階段，大學生創新訓練的一般模式為：指導老師根據自身科研項目的任務分解出創新訓練項目，然后讓大學生創新小組與研究生一起開展創新實踐活動。這樣可以使大學生有機會直接參與科研項目，但是在創新項目實施過程中大部分工作是研究生完成的，創新小組的本科大學生實際參與度較低，導致大學生創新主體功能發揮不足，大學生的科研創新、組織策劃、溝通協調、團隊協作等能力得不到有效鍛煉。形成這種大學生實際參與度低、參與有效性差的創新訓練模式，一方面是因為大學生自身的知識結構和能力還不足以獨立承擔科研項目任務;另一方面則因為大學生的時間和精力有限，繁重的課程學習任務使其難以全力以赴地開展創新訓練課題研究。甚至還有部分“南郭先生”，只是抱著混個課外實踐學分的目的而加入創新訓練小組，根本無心深入參與課題研究。因此，這種基于科研項目的大學生創新訓練模式，實際上只對極少數學有余力的大學生進行了有效培養，大部分創新小組的大學生并未取得真正的收獲。此外，由于立項數目逐年增多，部分學校對項目的監督管理體系不夠完善，項目督促檢查多流于形式。另外，許多項目指導老師的工作安排與學生的學習時間容易沖突，使得學生獲得老師親自指導的機會大大減少。

創新創業教育本質上是應該基于學科專業基礎的教育。美國著名教育家伯頓·克拉克指出，學科專業應在創新創業教育中起著“心臟”作用[8]。目前，我國高校創新創業實踐依然以大量低技術含量、與學科專業發展嚴重脫節的低層次創新創業訓練為主，真正具有持續發展潛力的高層次、與學科專業進展緊密相關的原創性創新創業項目偏少[2]。我國高校要培養大批高層次創新創業型人才，更好地服務于國家經濟社會，應學習借鑒國內外成功經驗，強化學科專業教育與創新創業教育的有機融合，強化學生的原創性創新創業能力的培養。現階段，我國高校結合專業和課程特色開展創新創業教育仍處于嘗試階段，創新創業訓練體系亟待健全[9]。創新創業教育必須與通識教育、專業教育融為一體，以專業教育為主要依托并輔以一系列創新創業課程與實踐，有效培養學生的創新精神、創業意識和原創性能力[ 10 ]。在為學生奠定專業學科基礎的同時，幫助學生構建知識的有機關聯，通過廣博的學識，使他們學會辨析、思考、選擇和定位，提升社會適應、資源整合和集成創新等方面的能力[ 11 ]，這才是高校“育人”的最終目的。因此，基于學科發展和專業課程教學的創新訓練模式，是高校創新教育實現廣度和深度發展，以及適應社會發展需求的必然選擇。

二、基于專業課程教學的大學生創新訓練模式的構建

針對上述現行大學生創新訓練模式存在的問題，筆者提出一種新的構想，即建立一套基于專業課程教學的大學生創新訓練模式，這種實踐活動與學生知識結構相匹配，與課程學習不沖突，在提高學生的興趣和參與度、培養學生創新思維與實踐能力的同時，促進學生對專業課程知識點的深度理解與應用，雙重提升創新訓練與專業課程的教學效果。

本文以中南大學材料科學與工程專業為例，詳細介紹上述模式的實施方案與實踐經驗。在新材料、新技術不斷涌現的新工科時代，我們在開展材料科學與工程專業課程教學過程中經常發現，現有的教材、手冊、講義、論文等文獻資料中，尚有許多學術、技術問題都值得深入探討和實證，如果依托這些問題設計大學生的創新訓練項目，不僅可以激發學生大膽挑戰權威與傳統認識的創新思維，同時可有效強化學生對課程內容的學習。基于材料領域專業課程教學的創新訓練模式的實施方案如下圖所示。

（一）項目設計

針對“材料科學基礎”“金屬塑性加工原理”“金屬材料及熱處理”“金屬塑性加工技術”等專業主干課程，經課堂討論交流，通過精心選擇和提煉，將其中有疑義、不明確、有爭議、有反常特性等問題設計成創新訓練項目，然后讓學生在課程學習和創新訓練過程中，根據傳統材料基礎理論，結合試驗分析，對這些具有特殊或反常性能的材料問題開展深入研究，由此既加深對專業理論知識的理解，同時也可能發現一些新的規律或建立新的材料加工制備方法。

例如，在“金屬塑性加工技術”課程中，很多學生（包括部分老師）對管材“空拉糾偏”的原理和工藝不理解，尤其針對硬化程度較高的合金材料（如銅合金）和硬化程度低的合金材料（如鋁合金），空拉工藝分別應該如何設計，教材和文獻資料中都未曾提及。若以此為主題開展創新訓練，不僅可使學生對此問題獲得清晰理解，而且可能建立一套管材空拉的實用性工藝方案。

再如，在“材料科學基礎”課程教學中，老師在講授擴散理論中的“上坡擴散”概念時，有部分學生對其中的應力狀態導致“逆擴散”（“上坡擴散”）的現象很不理解，我們就可以針對這一現象設計一個創新訓練項目，并為學生提供一種雙金屬層壓復合材料試樣（如Cu/Al復合板），學生通過簡單的擴散退火試驗和界面能譜分析，就可以清晰地看到“逆擴散”導致的元素分布規律。這個項目不僅可以使學生深刻理解應力狀態對固態擴散的影響規律與機理，而且可以引導學生開展熱處理和掃描電鏡分析等實驗，由此促進學生對“工程力學”“材料科學基礎”“金屬材料及熱處理”“材料結構分析”等多門課程相關知識的綜合理解。甚至，通過該項目的研究與總結，可能形成一種強化雙金屬層壓復合材料界面結合的創新性工藝技術。

上述兩例的相關實驗，利用現有的教學實驗設備就可以實現。相比于現行的基于科研項目的創新訓練活動，這種基于專業課程教學的創新訓練模式因為與課程學習、課程作業甚至課程考試相關，所以更能吸引大學生積極主動參與，更有利于激發大學生的創新意識與潛能。

（二）項目實施

待項目選題確定后，相應課程的任課教師針對所選擇的主題，就研究目的、實施方案、實驗方法等與學生進行深入交流，指導學生申報國家級、省級或校級創新訓練項目。即使未能成功申報到資助項目，任課老師也可以指導學生開展自主研究。上述專業主干課程通常配備了課程實驗，擁有基本的實驗條件，因此大學生自主研究是完全可行的。在項目實施過程中，以問題為導向，指導學生自主設計實驗方案，采用文獻調研、檢測分析或數值模擬等手段，對課題開展具體實驗探究。對于大學生能獨立操作的實驗，堅持讓學生獨立完成;而對于學生知識結構與實驗操作能力尚不足以承擔的難度較大的實驗，鼓勵學生通過觀摩、記錄、分析等方法，獲得對項目實驗的清晰了解，形成完整的實驗經歷與實驗思路，由此激發學生的主觀能動性，培養學生的實驗操作、交流溝通和團隊協作能力。

（三）跟蹤與評價

基于專業課程教學內容的大學生創新訓練活動一般是在專業課程教學過程中進行，參與項目的學生可在課堂上或課前、課后的時間與指導老師交流實驗結果及實驗中遇到的問題，指導老師可以較為方便地做到全過程跟進，及時發現問題并提出建議，保證項目研究的持續改進，同時培養學生的溝通表達能力。項目完成后，學生可在老師的指導下總結研究結果，甚至發表論文、申請專利，并將研究結果做成課件在課堂上交流展示。學生進行成果課件展示時，指導老師對其中涉及的知識點以及創新性進行深度解說，使其他未參與該項目的學生也同樣能獲得深刻理解和啟發。通過總結項目實施的收獲與經驗，評價學生在項目研究中的努力、進步以及表現出來的素質潛力，激勵更多學生大膽思考，敢于對教材、文獻或老師講義中有疑義、不明確的內容提出質疑，激發學生敢于挑戰權威與傳統認識的創新思維和創新潛能。

三、基于專業課程教學的大學生創新訓練模式的實施案例

案例1：2004年，本文作者在開展“彈塑性力學”課程教學過程中，當講授到“孔邊應力集中”問題時，有位學生對此問題提出了疑義，他認為并非所有材料都會因“孔邊應力集中”而提前失效。老師對他的質疑非常支持，并提供給他四種具有不同性能的金屬材料（304不銹鋼、紫銅、硬鋁、軟鋁）去開展實驗驗證。通過系統的實驗探究，這位大三本科生發現了一系列有趣的規律，有效實證了塑性變形引起孔邊應力鈍化的機理，由此建立了孔邊應力集中系數隨孔洞大小和載荷變化的關聯模型，并采用數值計算方法建立了孔邊應力集中引起的塑性區邊界方程。以此為主題，該學生于2005年成功申請到中南大學第一屆“米塔爾創新”項目，且該項目研究成果后續被整理發表了1篇學術論文。這一案例不僅使承擔這項創新項目的學生對“孔邊應力集中”問題有了非常深刻的理解，也帶動全班同學加深了對課程難點的認識，同時有效推進了任課老師的教學改革。

案例2：“加工硬化”和“退火軟化”是一般金屬材料的基本特性，在“材料科學基礎”“金屬塑性加工原理”“金屬材料及熱處理”“金屬塑性加工技術”等專業課程中均涉及這部分知識，也是經常考試的重點內容。但是，并非所有金屬材料都會呈現出這種規律，例如，Zn-Cu合金就展示出非常顯著的“加工軟化”（室溫冷變形）和“退火硬化”的異常行為。那么如何理解這種異常現象？如何從微觀結構角度去解釋這種現象背后的機理？由此，我們專門設計了1個創新訓練項目，并于2014年指導學生成功申請到中南大學自由探索創新訓練項目。通過系統的組織與性能分析實驗，成功揭示了該合金產生“加工軟化”和“退火硬化”異常行為的微觀機理，公開發表了學術論文2篇，并建立了該合金的一種組織調控工藝方案。2015年，在項目結題驗收時，該項目獲得“優秀論文獎”和“優秀成果展示獎”。其后，在指導老師與一家企業的產學研合作項目實施過程中，該項目研究成果發揮了主要作用。

該案例涉及的Zn-Cu合金雖然展示出異常力學行為，但是，卻可以采用已有的材料科學理論進行正常的解釋。通過該案例及其延伸的創新訓練項目研究，引導學生結合多門專業課程的相關理論知識，深刻理解了金屬材料的多種強化和軟化機理，尤其是有效培養了大學生大膽懷疑，勇于探索的精神和品質。

2016年，由該項目的課堂展示，后續又延伸出另一個有趣的創新訓練項目。任課老師在開展“金屬塑性加工技術”課程教學時，向學生展示了一些Zn-Cu合金擠壓型材，其中一名學生出于好奇，對一個型材試樣進行了用力彎折，使其產生了明顯彎曲。因為破壞了試樣，該學生嚇得滿面通紅。但老師并沒有批評他，而是問他聽到了什么聲音。在課堂安靜下來后，讓這名學生再彎折一件，結果聽到“嘶”的一聲響，但材料并沒有開裂，只是有點彎曲。經多名學生體驗后，老師要求大家認真思考這種聲音的來源。隨后該班組建了一個創新訓練小組，專門針對該問題開展實驗研究，終于揭示了“孿生”切變引發聲響的機理。通過該案例，這個班的學生對于金屬材料的“孿生”與“孿晶”現象形成了非常深刻的印象，從晶體學機理、組織判別、工程應用等方面都獲得深刻理解。

案例3：2017年，本專業大三的一名本科生在開展“金屬塑性加工技術”課程設計時，通過查閱鋁加工手冊發現，大部分2xxx、5xxx和7xxx系鋁合金不能實現空心制品的分流焊合擠壓成形，但其后在生產實習過程中，他在國內某企業卻分明看到了采用分流擠壓模制備的一種5052鋁合金空心型材，由此懷疑手冊信息的真實性。為此我們設計了一個題為“傳統技術是如何突破的？”這樣一個創新訓練項目，由指導老師帶領這名學生和他的部分同學，深入鋁型材加工企業，重點進行鋁合金分流擠壓和在線淬火技術的調查與分析，結果發現，加工手冊和教材中記載的多種傳統認識上不能實現分流擠壓和在線淬火的鋁合金，現在在工業化生產中均已實現分流擠壓和在線淬火。通過這次調研，大家深刻認識到，并不是加工手冊和教材的信息有誤，而是在這種科技迅猛發展的時代，傳統材料加工技術發展速度太快，以至于手冊和教材的編寫未能跟上時代發展的步伐。

硬鋁分流擠壓和在線淬火只是鋁型材擠壓行業的兩項典型的突破傳統認識的新技術，其實還有大批傳統技術已經或正在被突破，包括硬鋁和超硬鋁連續擠壓技術、紫銅管鑄軋技術、銅合金管盤拉伸技術等。通過這個創新訓練項目，不僅有效引導學生開展專業技術課程的學習和思考，同時也實現了一次對學生的思政教育。研究過程中我們發現，在突破傳統認識，開發創新技術，趕超發達國家先進水平的過程中，我國大批工程技術人員為此付出了艱苦的努力，為我國有色金屬產業和國民經濟建設做出了巨大貢獻，由此激發學生的愛國情操和對專業、對工程技術的興趣，培養學生敢于挑戰傳統、勇于實踐探索的精神，并引導學生未來投身工程技術領域，努力將自己打造出“卓越工程師”。

四、結語

綜上，基于專業課程教學的大學生創新訓練模式，即結合課程教學過程中發現的部分有疑義、不明確、有爭議、有反常特性等學術或技術問題，精心設計創新訓練項目并組織實施，由此培養大學生主動思考的習慣以及敢于挑戰權威和傳統認識的創新思維，激發大學生創新潛能，提升大學生的創新能力。我們以材料科學與工程專業為例對這種創新訓練模式進行了大膽探索，實踐表明，相比于基于科研項目的創新訓練模式，采用這種基于專業課程教學開展的大學生創新訓練活動，與學生知識結構相匹配，與課程學習不沖突，學生參與的興趣和熱情顯著提高，學生能獨立承擔的實驗內容明顯增加，不僅有效鍛煉了學生的實踐操作技能，同時促進學生對多門專業課程知識的交叉理解，激發學生對本專業的興趣和信心，具有多重功效。當然，這種模式對指導老師的專業能力和執教精神提出了更高要求，因此，如何提高老師的指導能力與熱情，激勵老師積極投身大學生創新創業教育，仍然是一個十分重要的課題。

參考文獻

[1]劉新，王森，羅旭東.“雙創班”大學生創新創業能力培養[J].中國冶金教育，2018（1）：76-78.

[2]江曉云，馬小龍.在校大學生創新創業訓練的現狀、問題與對策[J].高教學刊，2018（2）：24-26.

[3]王帥帥.大學生創新創業訓練計劃項目的實踐分析[J].教育教學論壇，2018（28）：145-146.

[4]蔡宏亞，茍占平，徐美奕.大學生創新創業訓練計劃項目管理中的思考研究[J].教育教學論壇，2018（1）：12-15.

[5]吳秋霖.大學生創新創業訓練計劃項目的實踐與探索[J].時代教育，2017（2）：166.

[6]高云，方志剛，王勇，等.基于供給側改革思維的高校生態創新創業培養體系優化[J].中國冶金教育，2017（5）：80-82.

[7]陳志永，林高用，李周，張紅媛.基于“大工程觀”的材料科學與工程專業人才培養模式[J].創新與創業教育，2016，7（5）：78-81.

[8][美]伯頓·克拉克.建立創業型大學：組織上轉型的途徑[M].王承緒，譯，北京：人民教育出版社，2007：167-177.

[9]紀常鯤，紀常虹，陳艷明，等.高校創新創業教育與專業教育融合的研究與實踐[J].開封教育學院學報，2016，36（11）：148-149.

[10]張東虎.包頭師范學院創新創業教育模式的探索[J].陰山學刊（自然科學版），2018，32（04）：76-79.

[11]楊梨.服務學習與創新創業教育的契合性分析[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2014（10）：157-159.